Development and characterization of PMMA based porous materials used for high pressure casting of sanitaryware ceramics

Abstract

ÖZET Seramik endüstrisi, seramik ürün elde edebilmek için hızla yüksek basınçlı döküm tekniğini kullanmaya başlamıştır Yüksek basınçlı kalıplama tekniğinde mekanik olarak dayanıklı, açık-hücre gözeneklere sahip ve uygulanan basınç altında su geçirgenliğine imkan veren malzemelere gerek duyulmaktadır. Bununla birlikte, gözenekli yapının uygulanan periyodik yüksek basınçlar altında uzun ömürlü olabilmesi için daha yüksek mekanik performansa sahip olması gerekmektedir. PMMA esaslı polimerik malzemeler kısa döküm periyotları ve uzun kullanım süreleri dolayısıyla en uygun malzemeler haline gelmişlerdir. Bu malzemelerin uzun kullanım süreleri ve performansları malzemenin mikro-yapısıyla yakından ilgilidir. Bu çalışmada PMMA esaslı açık-hücre gözenekli plastik malzemeler yağ içinde su emülsiyonunun polimerizasyonu tekniği ile üretilmiştir. PMMA esaslı malzemelerin mikro-yapısı üzerindeki etkisini incelemek üzere emülsiyon bileşenlerinin çeşitli oranları ve çeşitli tane boyutlarda dolgu malzemeleri kullanılarak gözenekli malzemeler üretilmiştir. Gözenek yapısındaki değişim malzemenin performansı ile ilişkilendirilmiştir Numunelerin gözenek yapısı ve gözeneklilik oranları optik ve taramalı elektron mikroskobu kullanılarak incelenmiştir. Su geçirgenliği özel tasarlanan bir geçirgenlik aparatı kullanılarak ölçülmüştür. Malzemenin çökme stresi ve elastik modül gibi mekanik özellikleri basma testleri düzenlenerek belirlenmiştir. Su ve surfactant miktarının arttırılması malzemelerin gözeneklilik oranını, su geçirgenliğini arttırmış mekanik dayanımını azaltmıştır. Bununla birlikte monomer miktarının arttırılması gözeneklilik oranını, su geçirgenliğini azaltmış ve mekanik dayanımını arttırmıştır. Malzemelerin kırılma tokluğu değerleri çentikli üç nokta eğme test metodu kullanılarak ölçülmüştür. Test sonuçlan ve kırılma yüzeyi görüntüleri malzemelerin gevreksi kırıldığını göstermiştir. Düşük su-surfactant ve yüksek monomer konsantrasyonu kalın hücre duvarlarının oluşumunu sağlamaktadır bu da malzemenin kırılma tokluğunu arttırmıştır. Kalan mekanik özelliklerinin saptanabilmesi için numuneler periyodik yükleme testlerine tabi tutulmuştur. Periyodik yüklemenin ardından malzemelerin elastik modül değerinin 52% oranında arttığı ve çökme stresi değerinin azaldığı ölçülmüştür.

ABSTRACT The ceramic whiteware / sanitaryware industry is rapidly undergoing to implement high-pressure casting techniques for ceramic article production. In high pressure technique, porous materials with open cell microstructure that allow drainage of water from the ceramic suspension under applied pressure are needed. In addition, a relatively high mechanical performance of the porous structure is required to obtain a long service life from the material under the cycled high pressures. The polymethyl methacrylate (PMMA) based polymeric porous structures have become the most suitable type of materials for this purpose because of their short casting periods and high service lives. The superior service life and performance of these materials are closely related to their microstructure. In the present study, PMMA-based porous materials were produced by water-in- oil emulsion polymerization technique. The porous systems were produced with various compositions of the constituents in the emulsion and various filler sizes to investigate the effect of the constituents and the sizes on the microstructure of PMMA-based materials. The variations on the pore microstructure were related to the performance of the material The pore morphology and porosity of the samples was investigated using optical and scanning electron microscopy techniques (SEM). Water permeability was measured using a custom made permeability apparatus. The mechanical properties such as compressive collapse stress and elastic modulus values were determined by performing mechanical compression tests. It was found that increasing water surfactant concentration increases the porosity, water permeability and decreases mechanical properties and reversely increasing the amount of monomer in the emulsion decreases the porosity, water permeability and increases the mechanical properties. Fracture toughness values of the materials were measured by using single edge notch three point bending (SENB) test method. Fracture toughness test results and fracture surface analysis show that materials are fractured in brittle manner. It was found that lower concentrations of water and higher concentrations of monomer result in thicker cell walls and improve the fracture toughness of the material. To investigate the residual mechanical properties, specimens were subjected to cyclic loadings. After cyclic loading, increase of elastic modulus with the percentage of 52 and decrease of collapse stress values were measured. IV